毕业论文范文——基于嵌入式控制器的机器人控制软件设计

上海大学学士学位论文目录摘要2ABSTRACT3第一章 绪论4引言41.1 国内外工业机器人技术研究现状及发展趋势51.2 论文的主要内容7第二章 SCARA机器人总体设计92.1 SCARA机器人本体设计92.2 SCARA机器人控制单元设计11第三章 系统开发环境与相关技术133.1 嵌入式实时操作系统133.2 嵌入式实时系统操作系统的对比153.3 Reworks系统简介173.3.1 ReDe开发的基本流程18第四章 SCARA机器人运动学动力学研究与轨迹规划204.1 SCARA机器人运动学204.1.1 SCARA机器人的运动学正解204.1.2 SCARA机器人的运动学逆解224.2 操作臂的雅可比244.3 SCARA机器人动力学研究264.4 SCARA机器人轨迹规划研究30第五章 控制软件的设计365.1 界面的编写365.1.1 GTK+图形编程语言简介365.1.2 SCARA机器人的控制界面365.2 指令模型设计与实现415.2.1机器人语言415.2.2 解释模块445.2.3 编译模块475.2.4 执行模块505.3 程序编译运行51第六章 总结与展望55致 谢56参考文献57基于嵌入式控制器的机器人控制软件设计摘要工业机器人技术已经成为衡量一个国家制造和科技水平的重要标志，是一门涉及多领域的交叉前沿学科。而工业机器人控制器在机器人控制系统中占核心地位，其设计优劣决定了机器人控制性能的好坏，同时也影响着机器人使用的方便程度。随着国民经济的发展，产业水平的升级，我国对工业机器人的需求从数量上较以前有了大幅提高。采用国产器件，针对具体的应用对象，研究和设计工业机器人，是提高工业机器人的自主知识产权的关键因素。基于以上种种原因，提出了本课题。本文设计了一种基于Reworks嵌入式实时操作系统的SCARA机器人控制软件。首先介绍了SCARA机器人的总体设计，包括机器人的本体设计及控制单元设计。通过比较分析几款嵌入式实时操作系统，阐述了选用国产的Reworks系统的优势。本文针对SCARA机器人进行了运动学正逆解分析、动力学的研究并完成了SCARA机器人的轨迹规划。介绍了SCARA机器人控制系统的结构和控制任务，在ReDe开发环境中进行SCARA机器人控制软件的设计，完成了控制软件界面的编写，分析了机器人语言，完成了指令解释器的设计，指令解释器包括了解释模块、编译模块、执行模块。并通过ReDe开发环境中的仿真器来验证程序编写的正确性。关键词：SCARA 机器人 嵌入式 Reworks 编译器ABSTRACTIndustrial robot technology， is a frontier science involving many subjects， has become a measure of a countrys technological level of manufacturing standards and an important symbol. Industrial robot controller represents the central position in robot control system. The quality of its design determines the overall behavior of the robot system and the overall pros and cons. It also affects the use of robots. With the development of the national economy, Chinas demand is higher for industrial robots in terms of quantity or quality. Using domestic devices, researching and designing special industrial robots are the ky factor to improve intellectual property rights of industrial robots. For these kinds of reasons, the subject has been brought up.This paper presents a domestically embedded real-time operating system Reworks for developing software of controlling SCARA robot. This paper describes the overall design of SCARA robots, including the body design and the design of the robot control unit. This SCARA robot hardware platform uses TIs OMAP-3530 as a core processors. Through a comparative analysis of several embedded real-time operating systems, this paper choose the domestical system: Reworks. The article also carried outinverse kinematics analysis, dynamics studies and trajectory planning for the SCARA robot kinematics. And it also introduced doing SCARA robot control software design in ReDe environment and completing the software interface. This article also introduced the structure of SCARA robot control system, and analyzed the robot language,its interpretation, compilation and execution module. And using the simulator of ReDe environment to verify the correctness of the program written.Keywords: SCARA Robot Embedded Reworks compiler第一章 绪论引言工业机器人技术是一门高度交叉的前沿学科，代表了机电一体化技术的最高研究成果，涉及计算机技术、微电子技术、电气工程、机械工程、传感技术、自动控制理论及人工智能等多门学科，现如今，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。工业机器人在工业生产中一般用于代替人做一些单调、频繁、长时间作业的工作，或是危险、恶劣环境下的作业，主要职能一般是搬取和装配零件，在微电子制造业、塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域得到广泛的应用，它有利于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益、保证产品质量、保障人身安全、改善劳动环境，减轻劳动强度、节约原材料消耗以及降低生产成本。工业机器人是对人的特长以及机械的特长进行综合，最后得出的一种拟人的电子机械装置。它能对当前环境状态进行快速响应，同时它具备分析问题的能力，而且工业机器人具有可长期工作、准确度高、耐恶劣环境的优点。基于这些优点，工业机器人在工业生产和工业服务中发挥着越来越大的作用，同时也推动着社会的不断进步1。1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA，该机器人具有四个轴和四个运动自由度。SCARA即Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱坐标型的特殊类型工业机器人。SCARA系统在x，y方向上具有顺从性，而在Z轴方向具有良好的刚度，此特性特别适合于装配工作；SCARA的另一个特点是其串接的两杆结构，类似人的手臂，可以伸向有限空间中作业然后收回，适合于搬动和取放物件，如集成电路板等。它的主要职能是搬取零件和装配工作。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展，机器人的应用领域越来越广泛。SCARA 工业机器人具有高度的灵活性和通用性，已在电子、半导体、医药制药、汽车、生活消费品等行业获得了广泛的应用。目前生产中应用比较普及的工业机器人有美国 Adept 公司的工业机械臂，例如平面关节（SCARA 型）AdeptOne 机械臂有4个运动轴，前两个运动轴确定 X-Y 平面内坐标，第3个运动轴沿Z轴方向作直线运动，第4个运动轴调整工具的角度。Adept的SCARA型机械臂机构设计简洁，具有速度快、精度高、柔性好等优点，世界上已经有超过5000个应用实例。日本安川公司的Motoman系列工业机械臂在实际生产中应用也较为广泛，其中的 SV3 系列垂直多关节机器人具有6个自由度，前 3 个关节用来确定机器人末端的位置，后3个关节确定末端的姿态，与4自由度的SCARA型机械臂相比具有更为广阔的工作空间和更大的灵活性。此外，还有瑞士ABB公司的系列工业机械臂等。随着国民经济的发展，我国对工业机器人的需求无论从数量上还是从质量上都有较高的要求，采用国产器件，针对具体的应用对象，研究和设计专用工业机器人，是提高工业机器人的自主知识产权及国产率关键因素2。1.1 国内外工业机器人技术研究现状及发展趋势从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个缓慢、长期的发展过程。到90年代初，随着计算机技术，网络技术、微电子学技术，制造业的发展，机器人技术也得到了提升，各种的工业机器如雨后春笋般涌现。随着工业机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术(RT)概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术(RT)的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统”。国外的工业机器人已经作为通用的标准设备广泛应用于各行各业。比较著名的工业机器人公司有瑞典的ABB，日本的发那科，川崎，美国的Adept。德国库卡等等。机器人产业将成为继汽车、计算机之后的一种新的高新技术产业。据联合国欧洲经济委员会和国际机器人联合会统计，世界机器人市场具有良好发展趋势。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备前景很被看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的势头，已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。目前，日本、意大利、德国、欧盟、美国等国家产业工人人均拥有工业机器人数量位于世界前列，全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。 图1.1 FANUC机器人 图1.2 ABB机器人我国工业机器人起步于上世纪1970年初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。1970年我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装和码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论3。我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。其次，中国的工业机器人仍未形成自己的品牌。在中国，虽然已经拥有一批企业单位从事工业机器人的研究开发，但都未形成规模，在国际市场上仍缺乏品牌认知度。于此同时，工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，国内外机器人技术领域的发展趋势主要为以下几个方面:1.结构的模块化和可重构化。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市;2.控制技术的开放化、PC化和网络化。器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性;3.伺服驱动技术的数字化和分散化。微处理器(特别是数字信号处理器一DSP)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展加速了伺服驱动技术的进步。4.多传感器融合技术的实用化。工业机器人除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还应用了视觉、力觉等传感器，同时往往还采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;5.工作环境设计的优化和作业的柔性化。随着先进制造技术的发展，工业机器人正在成为高度柔性、高效率和可重组装配、制造和加工系统中的生产设备。而面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成;6.系统的网络化和智能化。如当代遥控机器人系统致力于完整的远程监控遥控操作系统的建设，而“专家系统”等智能系统的使用结合多传感器融合技术可实现工业机器人对外部环境和对象的自适应;7.机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域4。1.2 论文的主要内容本课题来源于上海市科委的科技成果转化和产业化领域的“高速可靠精密多轴伺服机械手及关键部件的技术开发与应用研究”项目。论文的主要内容是:首先介绍了本课题中SCARA机器人总体设计，然后给出了SCARA机器人模型，通过对SCARA机器人机械本体的描述，推导出SCARA机器人的运动学正反解算法公式，为了提高控制精度，对SCARA机器人进行动力学分析，并进行了连续轨迹控制规划。其次介绍比较了几种嵌入式实时操作系统，最终选用了国产的Reworks实时操作系统，并针对SCARA机器人控制系统的结构和控制任务，对Reworks操作系统进行裁剪，探讨Reworks操作系统的核心特征，在Reworks和C语言编程工具REDE的支持下，编写机器人语言编译器及运动控制函数库，将复杂的控制任务分解为若干个完成单一功能的模块，降低程序之间的藕合度，使设计的软件具有结构化、模块化的特征，为软件的开放性奠定基础。编写SCARA机器人的嵌入式控制系统软件，设计友好的人机用户界面，测试控制系统的软件，检验其软件的开放性。论文第一章阐述了研究背景、以及国内外发展情况，第二章介绍了SCARA机器人的总体设计，第三章介绍了系统的开发环境，第四章介绍了SCARA机器人的运动学动力学算法及其轨迹规划，第五章介绍了控制软件的交互界面以及指令模型设计与实现，软件设计部分的框架如图1.1所示。图1.1 软件框架第二章 SCARA机器人总体设计SCARA机器人从构成上可分为机器人本体和机器人控制单元两大部分，其内部框图如图2-1所示。在机器人本体中，X轴和Y轴为水平轴，共同完成机器人手臂前端的水平方向移动；安装在Y轴前端的是垂直轴Z轴，通过伺服电机驱动滚珠丝杠实现旋转直线运动的变换，进而实现机器人手臂前端的垂直方向运动。为了实现更多的功能，还需要在滚珠丝杠先端增加旋转轴R轴，将吸盘等工具安装在R轴上；机器人控制部分内包含了驱动板卡和控制器，驱动板卡用以驱动各轴电机，控制器实现机器人轨道规划等功能。控制器通过通讯或逻辑接口形式与驱动板卡连接，完成规定的位置伺服运动控制。图2.1 SCARA机器人内部框图2.1 SCARA机器人本体设计工业机器人根据机械结构和坐标系特点可分为直角坐标型(3P)、圆柱坐标型(R2P)、球坐标型(2RP)和关节坐标型(3R)的机器人，关节坐标型机器人的结构类似于人手臂，其位置和姿态完全由旋转运动实现，而平面关节型机器人，即SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)机器人可看作关节坐标型机器人的特例。SCARA机器人具有四个关节，三个旋转关节轴线相互平行，实现平面内定位和定向，此外，附加一个滑动关节，实现末端件垂直运动。它最显著的特点是在水平方向上的运动具有较大的柔性，而垂直方向具有很强的刚性，这种选择性的柔性，被广泛用于高效率的装配、焊接、密封和搬运等领域。同时，它还具有动作快、重复精度高、部件少、多种安装方式、基本免维修等优点。目前，SCARA机器人已有较多成熟的产品，由于它具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、设计自由度大等优点，可以根据应用要求组装成桌面焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、拿放机器人、插件机器人，完成高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等动作。本课题拟开展研究工作的SCARA机器人如图2.2、图2.3所示。它具有4自由度、适用于多品种小批量方式的工业装配生产中。图2.2 SCARA机器人建模图2.3 SCARA机器人人实体该SCARA机器人有以下几种运动结构形式：(1)底座转动机构：布置在基座上的伺服电机M1带动大臂的转动。大臂的转动范围大致为120度。电机M1上装有一级RV齿轮减速器，当电机M1转动时带动大臂实现回转运动 。(2)小臂旋转机构：通过伺服电机M2，与谐波减速器的刚轮连接。谐波减速器的柔轮与外壳连接，通过电机的转动，实现回转运动 。(3)末端执行器的上下运动机构：在小臂的机体后壁上固定着支架，其上安装伺服电机M3与伺服电机M4，M4电机旋转通过齿形带传动到滚珠丝杠副，电机带动丝杠转动，滚珠丝杠副的螺母与支架相配合，支架带动主轴上下运动。(4)末端执行器的旋转运动机构：伺服电机M3转动，带动电机轴上安装的齿轮转动，通过齿形带传动到主轴上的齿轮上，主轴上的齿轮通过其上的花键槽与主轴（花键轴）间隙配合带动主轴转动。2.2 SCARA机器人控制单元设计图2.4为SCARA机器人系统框图，从图中可以看出，SCARA机器人分为机器人本体与机器人控制器两部分。机器人控制器接受上位机或PLC控制器的控制指令后驱动机器人本体执行相应的运动。 图2.4 SCARA机器人系统框图在生产线等的实际应用中，SCARA机器人控制器应具有如下功能与特点：）接受上位系统PLC的控制；）为实现机器人的精确控制，需要实时操作系统,完成机器人末端执行器轨道规划以及运动学算法；）多轴伺服驱动单元的集成与高精度的位置伺服功能；）具备示教单元的在线与离线编程功能和总线通讯功能；为实现以上功能，SCARA机器人控制器的硬件结构包括：电源部分、伺服驱动单元、多轴运动控制单元、示教单元与接口电路。第三章 系统开发环境与相关技术3.1 嵌入式实时操作系统近年来，实时操作系统在多媒体通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制等各个领域得到广泛的应用，因而越来越引起人们的重视。实时系统是指能及时响应外部发生的随机事件，并以一定时间内完成对事件处理的计算机应用系统。实时系统的实现多为微内核体系结构，这使得核心小巧而可靠，易于ROM固化，并可模块化扩展。微内核结构系统中，OS服务模块在独立的地址空间运行，所以，不同模块的内存错误便被隔离开来。但它也有弱点，进程间通信和上下文切换的开销大大增加。相对于大型集成化内核系统来说，它必须靠更多地进行系统调用来完成相同的任务。嵌入式实时系统与通用系统平台有着本质的区别，实时处理的正确性同时依赖于正确的执行逻辑和系统响应时间的确定性。实时性能保障技术必须从系统结构和系统核心二方面予以解决，包括操作系统核心的处处可抢占技术、中断延迟可确定、任务调度的上下文切换时间、看门狗管理技术、优先级反转防止技术、实时通信协议技术等各方面进行可确定性设计和实现，满足强实时的通信控制与管理需求，在核心主要通过以下两种方式保障实时性：1） 快速信号量增强实时处理能力多任务操作系统面临系统资源访问的临界问题，一般操作系统在处理这方面的问题时多采用两种方式：禁止系统中断，完全屏蔽外部事件引发的系统资源访问的可能性；禁止系统调度，锁定当前任务的运行状态，防止其它任务对系统资源访问的可能性。这两种方式在面对强实时性要求时，增加了系统响应时间延长的概率，一旦有任务需要访问系统资源就必须停止其它任务的运行，大多数情况下是其它任务不会访问当前任务的系统资源，从而造成系统响应延迟。针对上诉分析，ReWorks操作系统从细化互斥访问对象入手，尽可能在任务访问系统资源时，只排斥需要访问同样资源的任务运行。因此我们提出了快速信号量，快速信号量是通过对系统核心资源的细粒度互斥访问管理，减少操作系统临界区访问冲突，缩短系统在临界区的运行时间，提升系统的实时处理能力。2） 快速中断实时响应系统对设备的及时响应最好的办法就是对设备发出的中断信号的响应，快速多中断实时响应是一种缩短中断延迟时间的中断处理机制：中断中进行直接的任务调度，系统中的上下文保护主要有两个地方：任务切换时的上下文保护以及中断被触发时的上下文保护，如将两种上下文保护方式进行统一，并且在任务上下文恢复时模拟中断中进行恢复的环境，就可以实现在中断中直接进行任务的调度；在处理某中断时，屏蔽优先级与之相同或者低的中断，同时允许优先级更高的中断进入，即中断嵌套，从而可以确保最高优先级中断的顺利优先执行；传统的实时系统主要有两种处理方式，一种是在通信机制中设置大量的临界区，一种是提供一种微内核状态，在重入微内核状态时将所要处理的接口打包成JOB，再在必要的时刻执行；第一种方法不能有效降低中断的延迟时间，第二种方法会引起系统内存、CPU等资源相对于任务、中断的归属问题。通过在中断处理中重入微内核状态时，将中断处理函数升级为轻量级的任务，并纳入调度，如此既可以大量减少系统的临界区，又不存在CPU等资源的归属问题。另外将中断处理函数映射到任务的同时可能会引起中断任务的优先级逆转问题，通过基于确保最高优先级中断的原则来进行实现。实时系统衡量指标有以下几个：响应时间（Response Time ）：计算机识别一个外部事件到做出响应的事件，是最重要的指标；生存时间（Survival Time）：数据有效等待时间，在这段时间里数据是有效地；吞吐量（Throughput）：在一定时间内，系统可以处理的事件总数。操作系统是指控制和管理计算机系统内各种硬件资源，为应用提供方便、可扩展的服务，控制和管理计算机系统内各种软件资源，合理有效地组织计算机系统的工作。实时操作系统是保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。嵌入式实时操作系统特征有实时性强（在毫秒或微秒数量级上）、微内核结构、有处理异步开发事件的能力、快速启动并有出错处理和自动复位功能、实时嵌入式软件的开发需要独立的开发-平台、系统可固化使用、实时嵌入式系统是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。以下是典型的硬件环境图3.1 典型的硬件环境图3.2 典型的硬件环境实时操作系统需要控制管理以上设备，并为上层应用提供标准使用接口。3.2 嵌入式实时系统操作系统的对比现在国内外有名的嵌入式实时操作系统有美国的LynxOS、RT-Linux、Vxworks，加拿大的QNX，以及国内的ReWorks。下面通过介绍这些系统的基本特征、结构体系以及调度策略来对比这些嵌入式实时操作系统。(1) LynxOSLynxOS是由Lynx实时系统公司开发的操作系统。LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统，它遵循POSIX.1a、POSIX.1b和POSIX.1c标准。它最早开发于1988年。LynxOS目前还不是一个微内核结构的操作系统，但它计划使用所谓的“Galaxy”技术将其从大型集成化内核改造成微内核，这一技术将在LynxOS 3.0中引入。其调度策略为：支持线程概念，提供256个全局用户线程优先级；硬实时优先级调度：在每个优先级上实现了轮转调度、定量调度和FIFO调度策略；快速正文切换和阻塞时间短； 抢占式的RTOS核心。它的功能强大，但是价格昂贵。(2) RT linuxRT linux 是由美国墨西哥理工学院开发的嵌入式Linux操作系统。RTLinux实现了一个小的实时核心，仅支持底层任务创建、中断服务例程的装入、底层任务通信队列、中断服务例程(ISR)和Linux进程。原来的非实时Linux核心作为一个可抢先的任务运行于这个小核心之上，所有的任务都在核心地址空间运行。它不同于微内核和大型内核，属于实时EXE(realtimeexecutive)体系结构。其可靠性和可维护性对电信服务系统来说都不够理想。RTlinux是源代码开放的具有硬实时特性的多任务操作系统,它是通过底层对Linux实施改造的产物。通过在L inux内核与硬件中断之间增加一个精巧的可抢先的实时内核,把标准的Linux内核作为实时内核的一个进程与用户进程一起调度,标准的L inux内核的优先级最低,可以被实时进程抢断。正常的Linux进程仍可以在Linux内核上运行,这样既可以使用标准分时操作系统即Linux的各种服务, 又能提供低延时的实时环境 。它的特点是开发工具少，但是资源消耗大。(3) QNXQNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统。它遵循POSIX.1(程序接口)和POSIX.2(Shell和工具)、部分遵循POSIX.1b(实时扩展)。它最早开发于1980年，到现在已相当成熟。QNX是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX核心非常小巧(QNX4.x大约为12Kb)而且运行速度极快。QNX 提供POSIX.1b标准进程调度：32个进程优先级； 抢占式的、基于优先级的正文切换； 可选调度策略：FIFO、轮转策略、适应性策略。但其开发工具少应用不普及。(4) VxworksVxWorks 操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS）。它带有一个功能强大的集成开发系统环境Tornado。VxWorks具有软件生成代码小、实时性强及响应速度快等特点，特别适合于具有实时和多任务要求的系统。VxWorks自20世纪80年代问世以来，以 其高性能、高可靠性、高实时性等特点成为实时操作系统中最具特色的系统。VxWorks实时操作系统由400多个相对独立的、短小精炼的目标模块组成，用户可根据需要选择适当模块来裁剪和配置系统，这有效地保证了系统的安全性和可靠性。系统的链接器可按应用的需要自动链接一些目标模块。这样，通过目标模块之间的按需组合，可得到许多满足功能需求的应用。它提供基于优先级抢占的任务调度和轮转调度相结合的调度策略5。Vxworks的功能强大但是价格昂贵。基于以上几种嵌入式实时操作系统的优缺点综合考虑，本课题采用国内中国电子科技集团公司第三十二研究所自主可控计算机研究院的Reworks系统。3.3 Reworks系统简介国产基础软件ReWorks嵌入式实时操作系统提供多种CPU主板和外部设备接口的硬件环境支持软件，支持实时多任务，对上层应用软件提供一致接口，并提供丰富的可裁剪核心服务，功能性能与商品化嵌入式实时操作系统VxWorks 5.x版本相当，为多轴运动控制单元的研制提供核心软件支撑。图3.3 嵌入式实时操作系统的系统结构图Reworks操作系统的技术特性如下：CPU环境：x86、 ARM7、 ARM9、 SPARC v8、 PowerPC 82XX/74XX/8540、 龙芯2F、ADI Blackfin；硬件环境：冗余网络、双屏显示、USB、 AFDX、 FLASH、CAN、1553B；分布式处理：支持OMG RT-CORBA、SCA核心框架；标准化与兼容性：POSIX 1003-2003、VxWorks 5.x；实时性能：实时响应小于15uS，最大延迟可确定；裁剪性能：最小配置小于20K，支持ROM化；扩展能力：支持eXtremeDB数据库、图形处理；安全能力：基于MMU的空间保护能力，任务迁移能力；嵌入式软件集成开发环境：ReDe3.3.1 ReDe开发的基本流程ReDe是Reworks的嵌入式集成开发环境，其技术特性如下，ReDe拥有插件化工作链，基于Eclipse的可扩展框架；统一的资源管理与裁剪配置，软件自动化装配工具；远程调试、系统状态监视工具；集成第三方软件工程工具，UML、MatLab、McCabe。ReDe开发的基本流程如下图：图3.4 ReDe开发的基本流程ReDe中的工程可分为三种：自引导工程：用于开发用户定制的、可在目标机上被引导运行的ReWorks目标映像；库工程：用来管理和构建应用模块,生成*.a目标文件,可被静态链接到ReWorks镜像的工程，实现模块化开发；以及可下载工程：用来管理和构建应用模块,生成*.out目标文件,可被下载和动态链接到正在运行的ReWorks镜像. 实现 “on the fly” 开发。ReDe的编辑界面如下，左边为工程，右边为编辑界面，用户函数的入口在usrInit.c中图3.5 ReDe的编辑界面在ReDe中需要对所需模块进行配置，模块配置编辑器用于系统剪裁，若没有配置或配置不正确将在构建项目时将会报错，界面如下：图3.6 ReDe的模块编辑器运行以及调试时可选择目标机或者直接在仿真下调试，目标机调试时须根据目标机的硬件进行配置。第四章 SCARA机器人运动学动力学研究与轨迹规划4.1 SCARA机器人运动学操作臂运动学研究的是手臂各连杆间的位移关系、速度关系和加速度关系。机器人操作臂可以看作为一个开式运动链，由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成。连杆的功能是保持其两端的关节连线有固定的几何关系。本章将系统地描述平面关节型SCARA机器人运动学模型的建立过程。运动学研究涉及运动学正解和逆解，运动学正解是已知结构参数，及各个关节变量的值，从而计算末端执行器的位置和姿态，其解唯一，以及在知道机器人各个关节的变量值时，我们可以明确末端执行器的状态；而运动学逆解则是在已知末端位姿下，求解各关节变量，求解复杂，且解在多数情况下不唯一。4.1.1 SCARA机器人的运动学正解SCARA机器人为四自由度机器人。下面采用D-H法建立坐标系。图4.1 SCARA机器人关节示意图图4.2 SCARA机器人坐标示意图由坐标系示意图，得到如下的D-H参数表：Linkaiidii1250001240018002300d30400d44表4.1 SCARA机器人D-H参数表要得到坐标系i相对于坐标系i-1的连杆变换Ai。坐标系Ai经过如下四次有顺序的相对变换可得到坐标系i的连杆变换矩阵。根据运动学系统的数学，连杆变换矩阵通式为：Ai= ci-sicisisisicici-cisi0siciaiciaisidi 0 0 0 1 (4.1.1-1)(其中ci为cosi，si为sini，ci为cosi , si为sini)机器人运动学方程就是给定机器人各关节变量，计算机器人末端坐标相对于基座标的位置和姿态，同时得到机器人各关节坐标，这对于机器人控制至关重要。将D-H表中的参数代入变换矩阵，可得到相邻坐标系位姿变换矩阵如下所示： A1=c1-s10s1c10001a1c1a1s10 0 0 01 (4.1.1-2)A2=c2s20s2-c2000-1a2c2a2s20 0 0 01 (4.1.1-3)A3=10001000100d30001 (4.1.1-4)A4=c4-s40s4c4000100d4 0 0 01 (4.1.1-5)可得SCARA机器人的运动学方程为：T40=A1A2A3A4=c12c4+s12s4-c12s4+s12c40s12c4-c12s4-s12s4-c12c4000-1a1c1+a2c12a1s1+a2s12-d3-d4 0 0 01 =nxoxaxnyoyaynzozazpxpypz0 0 01 (4.1.1-6)(其中，式中c12为cos(1+2)，s12为sin(1+2)以上就是SCARA机器人的运动学方程，或叫机器人正解。其中，手爪方位由旋转矩阵R=nxoxaxnyoyaynzozaz决定，手爪的位置由位置矢量p=pxpypz决定。4.1.2 SCARA机器人的运动学逆解SCARA机器人的运动学逆解为给定机器人终端位姿，求各关节变量。运动学逆解的求解方法有：代数法、几何法以及数值法，前两种用于求闭式解，后一种用于数值解。封闭解的具体步骤和最终公式，因机器人的具体结构形式而异，但是，计算速度快，效率高，便于实时控制；数值解不具备这些特点，它是人们寻求位姿逆解的通解而得到的方法，由于计算量大，计算时间往往不能满足实时控制的需要，在多重解的情况下，某些迭代算法不能保证求出所有解，并且非线性方程的数值解法本身还有待研究。由于SCARA机器人的特殊性选择几何法求解逆解。逆解是否存在与机器人的工作空间密切相关，工作空间又取决于机器人的结构杆件参数，或手部（工具）的位姿。一般情况下如果手部坐标系的位置和姿态都位于工作空间内，则至少存在一个解；相反，若手部坐标系的位置和姿态都位于空间外，则无解。对于SCARA机器人，可以运用臂终端的位置来求臂的运动学逆解，即已知臂终端的位置，来求其他关节臂的关节变量。即假设已知臂终端位置Px,Py,PzT,求解各关节变量1,2,d3,4T：T40=c12c4+s12s4-c12s4+s12c40s12c4-c12s4-s12s4-c12c4000-1a1c1+a2c12a1s1+a2s12-d3-d4 0 0 01=ROO1 (4.1.2-1)化简可得R：R=nxoxaxnyoyaynzozaz=c12c4+s12s4-c12s4+s12c40s12c4-c12s4-s12s4-c12c4000-1=c(1+2-4)s(1+2-4)0s(1+2-4)-c(1+2-4)000-1 (4.1.2-2)(式中c(1+2-4)为cos(1+2-4)，s(1+2-4)为sin(1+2-4)首先我们对SCARA机器人做简单的几何分析，机器人在1,2,d3,4T条件下，其位姿如下图所示：图4.3 SCARA机器人逆运动学示意图图4.3中，a1和a2分别为连杆1和2的长度，r为OE的长度，由于SCARA机器人为平面型机器人，连杆1和2在同一平面上，连杆1转动角度为1，连杆2转动角度为2。 接下来用用几何方法，求解SCARA机器人逆运动，将杆1，杆2，投影到x0Oy0平面，在OEFf中由余弦定理6可得r2=a12+a22-a1a2cos2 (4.1.2-3) 由O点坐标(ox,oy,oz)可得r2=ox2+oy2 (4.1.2-4)由公式(1)(2)可得2=tan-1C2(1-C2) (4.1.2-5)(其中C2=Ox2+Oy2-a12-a222a1a2)由OFG,可以得到c=a2cos2 (4.1.2-6)b=a2sin2 (4.1.2-7)tan=ba1+c=a2sin2a2cos2+a1 (4.1.2-8)1=-=tan-1OxOy-tan-1a2sin2a2cos2+a1 (4.1.2-9)令1+2-4=则: 4=1+2-=1+2-tan-1oxnx (4.1.2-10)d3=Oz+d4 (4.1.2-11)综合式(4.1.2-5)、(4.1.2-9)、(4.1.2-10)、(4.1.2-11)，我们可以得到1,2,d3,4T，SCARA机器人的逆运动学求解完成。4.2 操作臂的雅可比之前建立了操作臂的运动学的方程，研究了运动学方程的反解，下面将在位移分析的基础上，进行速度分解研究操作空间速度与关节空间速度之间的线性映射关系（雅可比矩阵）。雅可比不仅可以用来表示操作空间与关节空间之间速度线性映射关系，同时也可用来表示两空间之间力的传递关系，为确定机器人的静态关节力矩以及不同坐标系间速度、加速度和静力的变换提供了便捷的方法。操作臂的雅可比矩阵定义为它的操作速度与关节速度的线性变换，可以看成是从关节空间向操作空间运动速度的传动比。因为SCARA机器人的特殊性，用几何法求其雅克比矩阵，其雅可比矩阵是一个64的矩阵。SCARA机器人的关节1，2，4为旋转关节，关节3为移动关节，而因为O4-O3的连线与Z3平行（所以，Z3O4-O3=0），其雅可比矩阵有如下形式：J=Z0O4-O0Z1O4-O1Z2Z0Z10 0 Z3 (4.2-1)由几何知识可知O1，O2，O4三点坐标向量如下：O1=a1c1a1s10 (4.2-2)O2=a1c1+a2c12a1s1+a2s120 (4.2-3)O4=a1c1+a2c12a1s2+a2s12d3-d4 (4.2-4)同时，由SCARA机器人的坐标系易知Z0=Z1=k (4.2-5)Z2=Z3=-k (4.2-6)将(4.2-2)、 (4.2-3)、(4.2-4)、(4.2-5)、(4.2-6)代入(4.2-1)中，化简可得其雅可比矩阵为：J=-a1s1-a2s12a1c1+a2c120-a2s12a2c120 001001 00-100000000-1 （4.2-7）利用雅可比可以实现机械手的笛卡尔空间运动速度与关节空间运动速度之间的变换，设x为表示机械手末端位姿的广义位置矢量，v和分别为沿末杆坐标轴的速度矢量和绕末杆坐标轴的角速度矢量，q为机械手的关节坐标矢量，通过雅可比矩阵可以得到各个关节速度或角速度与末端关节的速度与角速度的关系：x=v=J(q)q (4.2-8)可以求得各个关节的移动速度或角速度：q=J(q)-1x (4.2-9)同理可得各个关节的加速度, a ,分别代表加速度以及角加速度：x=a=J(q)q+ddtJ(q)q (4.2-10)令b=J(q)q (4.2-11)则b=x-ddtJ(q)q (4.2-12)可得q=J(q)-1b (4.2-13)4.3 SCARA